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Mikrobielle Datenlogger

Rekorder-Bakterien erfassen Darm-Daten

Mit Aufzeichnungsfunktion ausgerüstete Bakterien können bestimmte Erfahrungen auf ihrer Reise durch den Darm in ihrem Erbgut abspeichern. © Wildpixel/iStock

Mikroben mit raffinierter Speichertechnik: Forscher haben Bakterien mit einer genetischen Aufnahmefunktion ausgerüstet und damit Einblicke in Vorgänge im Darm von Mäusen gewonnen. Die Sensor-Mikroben zeichneten bei ihrer Reise durch das Verdauungssystem ihre eigene Genaktivität auf. Darin spiegelten sich ihre Erfahrungen wider, die mit dem Nährstoffangebot oder Krankheitsprozessen im Darm der Nager zusammenhingen. Aus dem Konzept könnte sich ein nicht-invasives Verfahren für die Diagnostik entwickeln, sagen die Forscher.

Sei es Mensch, Tier, Pflanze oder Mikrobe – ob ein Lebewesen mit bestimmten Herausforderungen konfrontiert ist, spiegelt sich in der Aktivität bestimmter Gene in seinem Körper wider. Dabei wird Boten-RNA (mRNA) gebildet, die eine Grundlage für die genetische Steuerung von Funktionen in Zellen und dem ganzen Organismus bildet. Dieser Zusammenhang wird bereits zum Nachweis von biologischen Vorgängen genutzt. Dabei gibt es allerdings einen Nachteil: mRNA ist nicht stabil – Zellen bauen diese Moleküle schnell wieder ab. Doch Forscher um Randall Platt von der ETH Zürich haben in den letzten Jahren ein raffiniertes molekulares Speichersystem entwickelt, das zumindest in Bakterien die Transkriptionsereignisse aufzeichnen kann und diese Daten anschließend zugänglich macht.

Die Aufzeichnungsfunktion basiert dabei auf dem Crispr/Cas-System. Natürlicherweise kann es Bakterien als einfaches Immungedächtnis dienen, das genetische Informationen über Krankheitserreger speichert: Werden die Bakterien von Viren befallen, können sie Stücke des viralen Erbguts in eigene Erbgutträger einbauen, die als Crispr-Arrays bezeichnet werden. Darin werden kurze DNA-Fragmente von Krankheitserregern archiviert. Die genetischen Schnipsel verschiedener Erreger werden dabei durch kurze, identische DNA-Sequenzen voneinander getrennt. Die Informationen auf den Crispr-Arrays können Bakterien dann bei der Verteidigung helfen, wenn sie erneut von einem bekannten Erreger angegriffen werden.

Raffinierte Aufzeichnungsfunktion

Um dieses Konzept als Datenlogger nutzen zu können, manipulierten die Forscher das System so, dass die Bakterien statt Virus-DNA-Fragmenten Schnipsel ihrer eigenen Boten-RNA in die Crispr-Arrays einbauen. Dabei wird ein Enzym aktiv, das RNA-Information wieder in DNA-Information zurückübersetzt. Anschließend werden diese Stücke dann in die Crispr-Arrays eingebaut. Die konvertierten Boten-RNA-Schnipsel speichern dadurch Informationen darüber, welche Gene in den Bakterien aktiv waren. Durch Sequenzierungen können die Forscher diese Daten dann erfassen.

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Nun haben Platt und seine Kollegen die Einsatzmöglichkeit dieses Verfahrens für die medizinische Diagnostik ausgelotet. Sie verabreichten Mäusen einen mit der Speicherfunktion ausgerüsteten Stamm des Darmbakteriums Escherichia coli. Diese Mikroben passierten anschließend das Verdauungssystem der Versuchstiere. Aus Kotproben isolierten die Forscher die bakterielle DNA und analysierten sie. So konnten sie auch gezielt die genetische Information der gespeicherten Boten-RNA-Schnipsel rekonstruieren.

Mikrobielle Datenerfassung im Darm

Wie die Wissenschaftler berichten, konnten sie auf diese Weise tatsächlich Informationen über die Genaktivität in den Bakterien erfassen, die während der Reise durch das Verdauungssystem aufgetreten war. Darin spiegelten sich auch bestimmte Aspekte des Umfeldes wider. „Mit der neuen Methode können wir Informationen direkt aus dem Darm gewinnen, ohne dabei die Darmfunktion stören zu müssen“, sagt Co-Autor Andrew Macpherson vom Inselspital Bern. Konkret konnten die Forscher durch Experimente mit unterschiedlich gefütterten Mäusen zeigen, wie die Bakterien ihren Stoffwechsel dem jeweiligen Nährstoffangebot anpassten. „Bakterien sind sehr gut darin, Umweltbedingungen zu erfassen und ihren Stoffwechsel an geänderte Bedingungen wie etwa die Nahrung anzupassen“, erklärt Macpherson.

Weitere Experimente zeigten zudem, dass das System Informationen darüber liefern kann, mit welchen anderen Bakterien die Sensor-Mikroben im Darm in Kontakt gekommen waren. Außerdem konnten die Forscher Hinweise auf Entzündungsreaktionen erkennen: Wenn sie Mäusen mit einer Darmentzündung sowie gesunden Vergleichstieren die Sensor-Bakterien verabreichten, konnten sie anschließend bestimmte Unterschiede im Boten-RNA-Profil des Speichersystems feststellen.

Die Ergebnisse bilden damit nun eine wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung des Systems für den Einsatz in der Medizin, sagen die Wissenschaftler. So könnten die Sensor-Bakterien etwa dazu dienen, bestimmte entzündlich Darmerkrankungen zu diagnostizieren, Mangelernährungen festzustellen oder zu klären, welche Diät für einen Patienten die richtige ist. Bevor die instrumentalisierten Mikroben allerdings bei Menschen verwendet werden dürfen, müssen erst Sicherheitsfragen geklärt werden, geben die Forscher zu bedenken. Sie arbeiten momentan an Veränderungen ihrer Sensor-Bakterien, die dazu führen, dass sie nicht außerhalb des Darms überleben können. „Grundsätzlich gibt es Möglichkeiten, lebende gentechnisch veränderte Mikroorganismen als Diagnostika oder Therapeutika in der Medizin anzuwenden, wenn dabei einige Bedingungen erfüllt sind“, sagt Platt.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abm6038

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